NO325876B1 - Anordning for stromningsregulering - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en anordning for strømningsregulering, omfattende:

en ytre hylse som har en ytre hylsevegg og i det minste én åpning gjennom den ytre hylseveggen, en indre hylse som har en indre hylsevegg og i det minste én åpning gjennom den indre hylseveggen, og midler for å bevirke innbyrdes glidebevegelse av hylsene mellom "åpne" stillinger som muliggjør variabel strøm av fluid gjennom åpningene i hylsene, og en "lukket" stilling, slik at relativ bevegelse av hylsene bevirker en variabel grad av åpning, slik at fluid kan strømme gjennom.

En slik anordning er kjent fra US 6371208, som viser glidehylser med åpninger av uensartet form, for bl. annet å redusere erosjonspotensialet for fluidstrømmen under gjennomstrømning.

I en hydrokarbonbrønn regulerer strupere strømmen av fluid inn i produksjonsrør fra brønnboringen eller inn i områder av brønnboringen fra produksjonsrøret. Konvensjonelt har slike strupere vært enkle på/av-anordninger som bare åpner eller stenger produksjonsrøret fullstendig. Det har i den senere tid oppstått et behov for variabel strømningsregulering, hvilket har medført særskilte problemer. En konvensjonell, variabel struper for strømningsregulering er vist på den skjematiske tegning i figur 1A.

De grunnleggende trekk ved denne anordningen er en ytre hylse 1 og en indre hylse 2, som hver har sett av åpninger 3, 4 beliggende rundt omkretsen. Den ytre hylsen 1 kan være en integrert del av et parti av produksjonsrøret. Den indre hylsen 2 er forskyvbart bevegelig ved hjelp av en aktuator (ikke vist). Figur 1A viser beliggenheten til hylsene i "stengt" stilling. Figur 1B og 1C viser de innbyrdes stillinger av hylsene i to forskjellige "åpne" stillinger, henholdsvis delvis åpen og helt åpen. Pilene i figur 1B og 1C representerer strømmen av fluid fra brønnboringen inn i produksjonsrøret via åpningene 3, 4.

Ringformede tetninger 5, 6 og 7 befinner seg mellom den indre og ytre hylsen 2, 1. Disse tetninger inndeler det ringformede rommet mellom den indre og ytre hylsen i kamre, og muliggjør at den indre hylsen kan beveges fritt. For eksempel er det et ringformet kammer 8 mellom tetningene 6 og 7, hvilket kammer omfatter åpningene 3 i den ytre hylsen 1.

Aktivering av aktuatoren bevirker at den indre hylsen 2 beveges i retning av pilene vist i figur 1A. Figur 1B viser anordningen i figur 1A i en delvis åpen stilling, idet åpningene 4 i den indre hylsen entrer kammeret 8, og derved åpner en strømningsbane. I den helt åpne stillingen i figur 1C befinner åpningene 4 i den indre hylsen seg fullstendig inne i kammeret 8.

Forskjellige problemer kan oppstå med denne konvensjonelle typen anordning for strømningsregulering. For eksempel når anordningen nærmer seg åpen stilling, vil trykket på en side av tetningen ha en tendens til å deformere tetningen og ekstrudere denne i retning av fluidinnstrømning. I eksempelet vist i figur 1B vil derfor tetningen 6 ha en tendens til å bli ekstrudert inn i åpningene i den indre hylsen. Dersom fluidstrømmen er i den motsatte retningen (dvs. fra produksjonsrøret til brønnboringen), har tetningen en tendens til å ekstruderes inn i ringrommet mellom hylsene.

Et annet problem med denne typen anordning for strømningsregulering er, under åpning, at fluidet strømmer meget hurtig gjennom åpningene, og under høyt trykk, med det resultatet at tetningen 6 kan skades eller trekkes inn i åpningene 4 i den indre hylsen.

Den høye hastigheten til fluidstrømmen i den "nettopp åpne" stillingen i figur 1B kan også bevirke et annet problem, nemlig erosjon av kantene til åpningene, særlig når fluidet er forurenset med faste partikler slik som sand.

Et annet problem som kan oppstå med konvensjonelle anordninger for strømnings-regulering er at økningen av strømningsraten for fluidet ikke er lineær med lineær bevegelse av røret, slik at nøyaktig, variabel strømningsregulering er vanskelig, særlig når det kreves lave strømningsrater.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

I henhold til oppfinnelsen er det kommet frem til en anordning for strømningsregulering som angitt innledningsvis, og som kjennetegnes ved at åpningene er slik anordnet at endringen av hastighetskoeffisienten til fluid som strømmer gjennom åpningene bevirket av en endring av den relative forskyvningen av hylsene er hovedsakelig proporsjonal med endringen av relativ forskyvning.

En av hylsene kan ha flere åpninger, og summen av breddene til disse åpninger på steder langs denne hylsen øker hovedsakelig eksponentielt i retning av fluidstrømmen. Bredden til i det minste én av åpningene kan øke i retning av fluidstrømmen. I dette tilfellet øker bredden av i det minste én av åpningene hovedsakelig eksponentielt i retning av fluidstrømmen.

I det minste én av åpningene i den ene av hylsene kan ha en lengde som er forskjellig fra en annen av disse åpningene. I dette tilfellet kan åpningene være gruppert i par, og begge åpningene i hvert par har f.eks. den samme lengden. I det sistnevnte tilfellet kan åpningene i hvert par være anordnet diametralt motsatt av hverandre rundt omkretsen av denne hylsen.

Den lengste av åpningene i den ene av hylsene kan være smalere enn den andre åpningen eller hver av de andre åpningene.

Den foreliggende oppfinnelse angår også et produksjonsrør som omfatter en anordning for strømningsregulering i henhold til oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter dessuten en hydrokarbonbrønn som omfatter en anordning for strømningsregulering i henhold til oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved hjelp av eksempler, med henvisning til de vedføyde tegninger.

KORTFATTET FORKLARING AV TEGNINGENE

Figur 1A-1C er skjematiske lengdesnitt gjennom en konvensjonell anordning for

strømningsregulering i stengt og åpen stilling.

Figur 2 viser skjematisk et arrangement av anordninger for strømningsregulering i en

undervanns brønnboring.

Figur 3A er et skjematisk lengdesnitt gjennom en anordning konstruert i henhold til

oppfinnelsen.

Figur 3B er en mer detaljert avbildning av en del av anordningen i figur 3A.

Figur 3C-3E illustrerer anordningen i figur 3A ved forskjellige trinn under åpning.

Figur 4 viser anordningen i figur 3 i perspektiv.

Figur 5 illustrerer grafisk endringen av strømningsrate og trykkfall som kan oppnås

med anordningen i figur 3.

Like henvisningstall er benyttet for like deler i hele beskrivelsen.

DETAUERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Med henvisning til figur 2 er det vist et typisk arrangement i en brønnboring, angitt generelt med henvisningstallet 9, med flere avgreninger 9A, 9B. Et produksjonsrør 10 forløper fra munningen av boringen til oljereservoarer. Rommet mellom røret og brønnboringen er tettet i punkter langs lengden ved hjelp av anordninger 11 kjent som pakninger. Mellom nabopakninger er det anbrakt strupere 12 som hver styres av aktuatorer (ikke vist). Under bruk kommer olje eller andre hydrokarbonfluider inn i produksjonsrøret 10 gjennom åpningene i strupeanordningene 12, dersom disse er åpne. Valget og driften av motorene som er tilknyttet strupeaktuatorene utføres ved operatørvalg ved hjelp av et styredisplay på overflaten. Følere (ikke vist) kan benyttes for å gi operatøren nøyaktig informasjon med hensyn til posisjonen og tilstanden til struperne 12.

Figur 3A illustrerer en struper 12, eller anordning for strømningsregulering, konstruert i henhold til oppfinnelsen. Denne anordningen for strømningsregulering har de samme grunnleggende trekk som de som er vist i figur 1A-1C, nemlig en ytre hylse 13 som har et sett 14 av åpninger, en indre hylse 15 som har et sett 16 av åpninger, et tetningsarrangement 17, 18, 19 og en aktuator (ikke vist) anordnet for å bevege den indre hylsen 15 i forhold til den ytre hylsen 13. Arrangementet av tetninger 18 og 19 avgrenser et ringformet kammer 20, mellom hylsene, omfattende settet 14 av åpninger i den ytre hylsen. Figur 3A-3E illustrerer prinsippene bak trekkene ved anordningen for strømningsregulering, og er ikke ment nøyaktig å vise dimensjonene til en virkelig anordning. For eksempel er det usannsynlig at den ringformede tetningen 17 vil være så nær tetningen 18 som vist på tegningene.

Et trykkreduserende område i form av en ringformet innsats 21 befinner seg mellom tetningen 18 og den ytre hylsen 13. Innsatsen 21 danner et område med minsket dimensjon, i form av en trang, ringformet passasje 22 foran tetningen 18. Den ringformede innsatsen 21 er vist på den mer detaljerte tegningen i figur 3B, og likeledes ett av et sett spor 23 som er dannet i ytterflaten av den indre hylsen 15. Sporene 23 befinner seg like foran åpningene 16 i den indre hylsen 15 i retning av åpningsbevegelsen. Funksjonen til den ringformede innsatsen 21 og sporene 23 skal beskrives i det følgende.

Et annet trekk ved struperen i figur 3A er at åpningene 16 i den indre hylsen 15 har forskjellige former og størrelser. I det minste én av åpningene 24 i dette settet 16 forløper forbi de øvrige i retning av åpningsbevegelsen til anordningen for strømnings-regulering, og denne retningen er vist med pilene.

Lengdene og formene av åpningene 16 er slik valgt at endringen av hastighetskoeffisienten HK for fluid som strømmer gjennom disse bevirket av en endring av den relative forskyvning av hylsene 13, 15 er proporsjonal med endringen av relativ forskyvning, slik at forholdet mellom HK og den effektive lengden (dvs. lengden av åpningen som fluid kan strømme gjennom) er hovedsakelig konstant for enhver effektiv lengde. Med andre ord er den prosentvise endringen av HK lik den prosentvise endringen av forskyvning. Hastighetskoeffisienten er en egenskap for strømningen, angitt med følgende formel:

der strømningen måles i liter/minutt,

AP er trykkfallet gjennom åpningene,

SV er den spesifikke vekt.

Det ønskede forhold mellom HK og relativ forskyvning kan oppnås ved at summen av breddene til alle åpningene 16 på et sted langs den indre hylsen 15 øker hovedsakelig eksponentielt langs hylsen i retning av fluidstrømmen. Dette oppnås ved passende valg av lengdene til de enkelte åpninger 16. Alle åpningene 16 er innrettet i aksial retning ved nedstrømsenden av åpningene, dvs. at de venstre sider av åpningene i fig. 3A er innrettet. Åpningene 16 forløper imidlertid i forskjellige lengder i oppstrømsretningen. Derfor, når den indre hylsen 15 forskyves for å øke strømningen, åpnes åpningene 16 gradvis inntil helt åpen stilling er nådd. Fortrinnsvis er åpningene 16 anordnet i par, og åpningene i hvert par har samme lengde, og åpningene i hvert par befinner seg på diametralt motsatte steder rundt den indre hylsen 15.

I en særskilt utførelse har den indre hylsen 15 en tykkelse på 8,3 mm og en ytter-diameter på 133 mm. Ti åpninger 16 er anordnet i den indre hylsen 15, gruppert i fem par. Det lengste paret av åpninger 24 har hver en lengde på 102 mm og en bredde på 15,9 mm. De andre parene har lengder på 76 mm, 69,8 mm, 54,6 mm og 38 mm, og alle har en bredde på 22,8 mm.

Med henvisning til figur 3C, viser denne begynnelsen av en åpningsoperasjon med aktuatoren, som beveger den indre hylsen 15 i retningen vist med pilene. På denne tegningen dekker sporene 23 tetningen 18 og nærmer seg kammeret 20, hvilket kammer omfatter åpningene 14 i den ytre hylsen 13. Hydrokarbonfluid som kommer inn i kammeret 20 fra brønnen tillates således å sive rundt sporene, og strømmer forbi tetningen 18, selv om struperen 12 ikke har inntatt en "åpen" stilling. Dette medfører utligning av fluidtrykk på begge sider av tetningen 18 før anordningen for strømnings-regulering kommer til åpen stilling, og minsker således problemet med ekstrudering av tetningen, som tidligere har blitt bevirket av høyt trykk i det innstrømmende fluidet som virker mot denne tetningen.

Figur 3D viser anordningen for strømningsregulering når den kommer til en åpen stilling. Den lengste åpningen 24 i den indre hylsen 15 har nettopp passert tetningen 18 og nærmer seg kammeret 20, og muliggjør således at en liten mengde fluid kan strømme inn i boringen i den indre hylsen 15. Det kan således oppnås en lav strømningsrate for fluidstrøm gjennom anordningen for strømningsregulering. Dette var vanskeligere med de konvensjonelle strupere, i hvilke åpningene var av samme form og størrelse og var innrettet; små endringer av fluidrate kunne bare oppnås ved små avbøyninger av den indre hylsen, hvilket var meget vanskelig fordi aktuatorene var anordninger for forholdsvis grov posisjonering.

Før det kommer inn i åpningen 24 i den indre hylsen 15, ledes fluid som kommer inn i kammeret 20 fra brønnen inn i den lille ringformede passasjen 22 dannet av den

ringformede innsatsen 21. Dimensjonene til den ringformede passasjen 22 er valgt slik at en stor andel av trykket i det innstrømmende fluidet faller langs passasjen, det vil si at det er en trykkforskjell mellom endene av passasjen. Derfor har fluidet som kommer inn i den indre hylsen 15 et lavere trykk enn det som tidligere har blitt oppnådd med en konvensjonell struper. Dette trekket hindrer at tetningen 18 skades eller trekkes inn i åpningene, og minsker også erosjon. De radiale dimensjoner til passasjen 22 må imidlertid være store nok til å hindre blokkering på grunn av forurensninger i fluidet.

Figur 3E viser struperen i helt åpen stilling. I denne stillingen kan fluid strømme gjennom alle åpningene 16 i den indre hylsen 15, og bevirker derved maksimalt oppnåelig strømning inn i produksjonsrøret. Det skal legges merke til at når aktuatoren beveges mellom stillingene i figur 3D og 3E, avtar den effektive lengden til den ringformede passasjen 22, slik at åpningene 16 i den indre hylsen 15 gradvis blottlegges mot økende trykk, hvilket kulminerer med full blottlegging mot trykket i det innstrømmende fluidet.

Figur 4 viser klarere et eksempel på utformingen av den indre hylsen 15. For illustrasjon er tetningen 18 vist fastgjort til den indre hylsen 15, og dette gjelder også den

ringformede innsatsen 21. Sporene 23 er også vist beliggende foran alle åpningene 16 i den indre hylsen 15, med unntak av den lengste åpningen 24. Et annet trekk ved denne anordningen er at åpningen 24 omfatter en erosjonsresistent innsats 25, normalt laget av wolfram. Innsatsen 25 er festet til den indre hylsen 15 av en skrue 26 ved et endeparti, og har en leppeformet kontur ved det andre endepartiet, som er innført i åpningen 24. Innsatsen 25 er avskrådd rundt kantene av åpningen 24, og danner derved en effektiv avskråning av åpningen, for ytterligere å motstå erosjon. Naturligvis kan selve åpningene være avskrådd som en ekstra sikring mot erosjon.

Kurven merket A i figur 5 illustrerer endringen av strømningsrate som kan oppnås med en anordning i henhold til oppfinnelsen. Strømningsraten er vist som funksjon av bevegelsen av den indre hylsen, beveget av aktuatoren. Denne endringen av strømningsrate med bevegelsen oppviser en mere lineær karakteristikk enn hva som hittil har vært oppnådd. Dessuten kan det oppnås meget lave strømningsrater. Tidligere var det et trinn mellom null strømningsrate i den lukkede stillingen og strømningsraten i den "nettopp åpne" stillingen. Den tilsvarende trykkendringen gjennom åpningene er også vist med kurven merket B.

Oppfinnelsen er særlig egnet til regulering av strupere nede i hullet i hydrokarbon-brønner, men den er også godt egnet for regulering av strømmen av fluid generelt ved andre anvendelser.

I en hydrokarbonbrønn beveges vanligvis bare den indre hylsen for å regulere strømningsendringer. Ved andre anvendelser kan det være mer fordelaktig at den ytre hylsen eller begge hylsene beveges av aktuatormekanismer. En egnet aktuator-mekanisme er beskrevet i GB patentsøknad nr. 2350659.

Oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med fluid som strømmer fra en brønnboring inn i produksjonsrør, det vil si fra det ytre av den ytre hylsen til det indre av den indre hylsen. Oppfinnelsen er imidlertid like godt egnet for å regulere fluidstrøm i den motsatte retningen, og bare minimal eller ingen tilpasning er nødvendig. Andre variasjoner kan gjøres uten å avvike fra omfanget av oppfinnelsen. For eksempel trenger den ringformede innsatsen ikke å befinne seg mellom tetningen 18 og den ytre hylsen. Innsatsen kan være fastgjort til den ytre hylsen foran tetningen eller være fastgjort til den indre hylsen. Innsatsen kan også være utformet som en del i ett med tetningen.

Som en annen variant kan den erosjonsresistente innsatsen være fastgjort til den indre hylsen ved for eksempel kjemisk fastgjøring, eller den kan være en integrert del av hylsen. Alle åpningene i den indre og/eller ytre hylsen kan gjøres erosjonsresistente på denne måten.

Som beskrevet ovenfor, for å sikre at endringen av hastighetskoeffisienten HK er proporsjonal med den relative forskyvningen av hylsene, øker den samlede bredden av alle åpningene hovedsakelig eksponentielt i retning av fluidstrømmen, ved bruk av åpninger med forskjellige lengder. Alternativt kan åpningene ha samme lengde, mens breddene øker hovedsakelig eksponentielt i nedstrømsretningen.

Claims (11)

1. Anordning (12) for strømningsregulering, omfattende: en ytre hylse (13) som har en ytre hylsevegg og i det minste én åpning (14) gjennom den ytre hylseveggen, en indre hylse (15) som har en indre hylsevegg og i det minste én åpning (16) gjennom den indre hylseveggen, og midler for å bevirke innbyrdes glidebevegelse av hylsene (13, 15) mellom "åpne" stillinger som muliggjør variabel strøm av fluid gjennom åpningene (14, 16) i hylsene, og en "lukket" stilling, slik at relativ bevegelse av hylsene (13, 15) bevirker en variabel grad av åpning, slik at fluid kan strømme gjennom,karakterisert ved at åpningene (14, 16) er slik anordnet at endringen av hastighetskoeffisienten (MK) til fluid som strømmer gjennom åpningene (14, 16) bevirket av en endring av den relative forskyvningen av hylsene (13,15) er hovedsakelig proporsjonal med endringen av relativ forskyvning.

2. Anordning (12) i henhold til krav 1, i hvilken en av hylsene (15) har flere åpninger (16), og den samlede bredden av disse åpningene (16) på steder langs denne hylsen (15) øker hovedsakelig eksponentielt i retning av fluidstrømmen.

3. Anordning i henhold til krav 1 eller 2, i hvilken bredden av i det minste én av åpningene (15, 16) øker i retning av fluidstrømmen.

4. Anordning i henhold til krav 3, i hvilken bredden av i det minste én av åpningene (15, 16) øker hovedsakelig eksponentielt i retning av fluidstrømmen.

5. Anordning (12) i henhold til krav 2, eller krav 3 og 4 knyttet til krav 2, i hvilken i det minste én av åpningene (16) i den nevnte hylsen (15) har en annen lengde enn en annen av disse åpningene.

6. Anordning (12) i henhold til krav 5, i hvilken åpningene (16) er gruppert i par.

7. Anordning (12) i henhold til krav 6, i hvilken begge åpningene (16) i hvert par har samme lengde.

8. Anordning (12) i henhold til krav 7, i hvilken åpningene (16) i hvert par er anordnet diametralt motsatt av hverandre rundt omkretsen av nevnte hylse (15).

9. Anordning (12) i henhold til hvilket som helst av kravene 5 - 8, i hvilken den lengste åpningen eller de lengste åpningene i nevnte hylse (15) er smalere enn den andre åpningen eller hver av de andre åpninger (16).

10. Produksjonsrør som omfatter en anordning (12) for strømningsregulering som angitt i hvilket som helst av de foregående krav.

11. Hydrokarbonbrønn som omfatter en anordning (12) for strømningsregulering som angitt i hvilket som helst av kravene 1 - 9.